Расчет главной опоры ротора
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РЕСПУБЛИКИ ТАТАРСТАН
Альметьевский государственный нефтяной институт
Кафедра нефтегазового оборудования
Контрольная работа
По дисциплине: «Расчет и конструирование машин и оборудования для добычи и подготовки НГ»
На тему: «Расчет главной опоры ротора»
Зиганшина Л.Ш.
Сабанов С.Л.
Альметьевск 2014г.
Содержание
Введение…………………………………………………………
- Назначение и устройство ротора…………………………………...….4
- Конструкция роторов и их элементов………………………………..6
- Монтаж ротора……………………………………………………..….
..9 - Смазка ротора………………………………………………………….
10 - Расчет главной опоры ротора………………………………………..12
- Заключение……………………………………………………
……….16
Список литературы……………………………………………………
Введение
Для обеспечения программ добычи нефти и газа в Российской Федерации с каждым годом повышается объем бурения. Это требует увеличения не только числа буровых установок, но и их эффективности, изменения параметров и конструкции, так как меняются глубины скважин и условия их бурения.
Буровая установка — сложный комплекс агрегатов, машин и механизмов, выполняющих различные, но связанные между собой функции в процессе бурения скважины. Проектирование этого оборудования — специфичный' сложный процесс, и от конструктора требуется не только умение конструировать машины и их элементы, но и знание техники для специфики бурения скважин на нефть и газ.
Буровое оборудование, применяемое в нефтяной н газовой промышленности, претерпело значительные изменения за последние 15—20 лет. Появились установки для бурения скважин глубиной 7—12 тыс. м, установки для бурения на море при глубинах 20—1500 м и более, для бурения кустов скважин на болотах и др. Изменились технология бурения, конструкция скважин, усовершенствован породоразрущающий инструмент и увеличилась длительность его работы в скважине.
Произошли изменения в теории машин и механизмов, основах расчета и конструирования машин и оборудования. При разработке новых машин приобретают все большее значение вопросы надежности, экономики, эргономики, экологии, инженерной психологии, технической эстетики. Развитие электронно-вычислительной техники резко изменило методы расчета и конструирования машин. В настоящее время ставится вопрос о переходе к системам автоматического проектирования.
1. Назначение и устройство ротора
Роторы предназначены для вращения вертикально подвешенной бурильной колонны с частотой 30—300 об/мин при роторном бурении или восприятия реактивного крутящего момента при бурении забойными двигателями. Они служат также для поддержания на весу колонн бурильных или обсадных труб, устанавливаемых на его столе на элеваторе или клиньях. Роторы также используются при отвинчивании и свинчивании труб в процессе СПО, ловильных и аварийных работ. Ротор представляет собой как бы конический зубчатый редуктор, ведомое коническое колесо которого насажено на втулку, соединенную со столом. Вертикальная ось стола расположена по оси скважины.
Отверстие диаметром 250—1260 мм в зависимости от типоразмера ротора. В отверстие стола устанавливают вкладыши 7 и зажимы ведущей трубы 6, через которые передается крутящий момент. Большое коническое колесо 4 передает вращение столу ротора, укрепленному на основной 3 и вспомогательной 2 опорах, смонтированных в корпусе 1, образующем одновременно масляную ванну для смазки передачи и подшипников.
Сверху стол защищен оградой 8. Быстроходный ведущий вал 10 расположен горизонтально на подшипниках 11, воспринимающих радиальные и горизонтальные нагрузки. Вал 10 приводится: во вращение от цепной звездочки 12 или с помощью вилки карданного вала, расположенной на конце вала. Ротор снабжен стопором9, при включении которого вращение стола становится невозможным. Фиксация стола ротора необходима при СПО и бурении забойными двигателями для восприятия реактивного
момента.
Привод ротора в буровых установках с расположением лебедки на полу буровой осуществляется цепной трансмиссией от лебедки или от КПП карданной передачей, при установке лебедки ниже пола буровой — дополнительной трансмиссией от лебедки или индивидуальным приводом от электродвигателя постоянного тока (рис. V.2), располагаемой под полом буровой. Такая конструкция обеспечивает свободное пространство для работы персонала буровой бригады.
2. Конструкция роторов и их элементов
Ротор Р-560 (рис. V.3) состоит из следующих основных сборок и элементов. Станина 7— основной элемент ротора. Обычно она представляет собой стальную отливку коробчатой формы, внутри которой смонтированы основные сборки и детали. Внутренняя полая часть станины — масляная ванна для смазки конической зубчатой пары и подшипников опор стола ротора и приводного вала.
Стол ротора 2 — основная вращающаяся часть, приводящая во вращение через разъемные вкладыши 4 и зажимы 5 ведущую трубу и соединенную с ней спущенную в скважину бурильную колонну. Стол ротора монтируется на двух шаровых опорах — главной 3 и вспомогательной 8. Главная опора 3 воспринимает динамические циклически действующие нагрузки — радиальную от передаваемого крутящего момента и осевые от трения ведущей трубы о зажимы 5 ротора при подаче колонны и от веса стола ротора, а также статическую нагрузку от веса колонн труб и других элементов при установке их на стол ротора.
Вспомогательная опора 8 стола служит для восприятия радиальных нагрузок от зубчатой передачи и осевых ударов при бурении или подъеме колонны. Периферийный зазор между станиной 7 и столом 2 ротора выполнен в виде лабиринта, предупреждающего проникновение бурового раствора и грязи внутрь станины и выбрасывание смазки из ротора при вращении стола. Сверху стол ротора закрыт ограждением /, служащим для установки на нем элеваторов и другого оборудования при СПО и защиты операторов.
Горизонтальный приводной вал 6 выполняется обычно в виде отдельной сборки, в которой вал с ведущей конической шестерней, насаженной на нем, монтируется на роликоподшипниках во втулке. Сдвоенный радиально-упорный подшипник, воспринимающий радиальные и осевые нагрузки от зубчатой передачи, устанавливается рядом с конической шестерней. Вторая опора вала — цилиндрический роликоподшипник. На внешнем конце вала монтируется либо цепная звездочка 9при приводе ротора цепной передачей от лебедки, либо шарнир карданного вала.
Разъемные вкладыши 4, состоящие из двух половин, устанавливают в проходное отверстие ротора, верхняя часть которого снабжена квадратной выемкой. Верхняя часть вкладышей также имеет квадратную форму, в которую входят выступы верхней части зажимов 5 ведущей трубы или роликового зажима при бурении. При СПО в отверстие вкладышей вставляют конусную втулку для клинового захвата. При бурении зажимы 5 или роликовые зажимы закрепляют болтами, оставляют на ведущей трубе и вместе с ней отпускают в отверстие вкладышей 4.
Стопорное устройство 10 служит для фиксации стола ротора. Рукоятка управления стопорным устройством расположена в углублении верхней ограды ротора. В углублении она защищена от повреждений и, кроме того, не мешает работать. При переводе рукоятки в рабочее положение выдвигается упор, входящий в одну из специальных прорезей на наружной поверхности стола, и препятствует вращению.
Для облегчения труда рабочих и ускорения СПО роторы комплектуют пневматическими клиновыми захватами, для чего на роторе предусмотрен кронштейн, к которому присоединяется механизм подъема и опускания в отверстие ротора клиньев.
Диаметр отверстия в столе ротора и максимальная статическая нагрузка на стол ротора-основные классификационные параметры. Они определяют максимальный диаметр долота и максимальные диаметр и вес обсадной колонны, которая может быть спущена в скважину.
Основные характеристики роторов приведены в табл. V.I.
Для обеспечения взаимозаменяемости внутренние размеры роторов и вкладышей и наружные размеры вкладышей стандартизованы. Также стандартизованы длина и диаметр конца приводного вала ротора и расстояние от оси отверстия стола до плоскости первого ряда зубьев приводной звездочки, обеспечивающее возможность применения ротора на любой буровой установке.
3. Монтаж ротора
Монтаж ротора выполняется на двух шахтовых брусьях, опирающихся на рамные брусья.Для точного фиксирования положения ротора на шахтовых брусьях вырубают пазы глубиной 70 мм (рис. 6, а), которые по ширине и длине точно соответствуют размерам основания ротора. Иногда ротор устанавливают на подроторных брусьях {рис. 6, б),прикрепляемых к шахтовым брусьям болтами. Для создания паза подроторные брусья делают по высоте на 70 мм меньше шахтовых.При бурении скважин глубиной свыше 3000 м шахтовые брусья опираются на две бетонные тумбы, которые с обеих сторон имеют окна. Во всех случаях для ограничения перемещения ротора вдоль оси брусьев между ними врезают два поперечных бруса с таким расчетом, чтобы расстояние между ними было равно длине ротора.
Правильность монтажа ротора контролируют отвесом и шнурами, натянутыми по диагонали вышки, сверяя совпадение центра вышки с центром стола ротора. Проверка на горизонтальность производится по уровню, а совпадение плоскостей цепных колес на трансмиссионном валу лебедки и ведущем валу ротора при помощи натяжения шнура.
Рисунок 6. а— шахтовые брусья с пазом; б — сборка брусьев.
Когда ротор приводится в движение карданным валом, необходимо проверить соосность валов ротора и приводного механизма.
4. Смазка ротора
Смазка бурового ротора один из важнейших технологических процессов в эксплуатации ротора. Стекающее с конического колеса масло не может прямо попасть в главную опору; попадая сначала в картер, оно имеет возможность отстояться, прежде чем попасть во внутреннюю часть подшипника. Так как уровень смазки достигает центров шаров опоры, масло оттуда центробежной силой выбрасывается в картер, создавая циркуляцию, обеспечивающую хорошую смазку и охлаждение. В роторе верхний вспомогательный подшипник быстро выходит из строя, так как в опоре большого диаметра неправильно решена принудительная система смазки. Нижняя главная опора, находясь в масляной ванне, не защищена от попадания в нее продуктов износа зубчатой передачи.
Для верхней опоры предусмотрена принудительная смазка, усложнившая конструкцию. Эта конструкция не обеспечивает требуемой точности расположения осей опоры, так как верхний подшипник монтируется в промежуточной крышке, а не в корпусе, что снижает точность монтажа и надежность конструкции. И если не обеспечены условия точности, качества изготовления и хорошей смазки, осуществляющей надежный отвод тепла, то при столь высоких скоростях трудно ожидать надежной работы ротора. Схема конической передачи и крепления вращающегося стола и ведущего вала в неподвижном корпусе определяется не только схемой расположения опор и передачи, но и обеспечением их надежной смазкой, предохранением подшипников от попадания в них продуктов износа и хорошим отводом тепла.
Анализ конструкции ведущего вала ротора показывает, что, несмотря на нагружение опоры у шестерни радиальными и осевыми нагрузками, сдвоенный конический подшипник с хорошо подобранными размерами обеспечивает требуемую долговечность, термические удлинения вала не влияют на зазор в зацеплении и не создают дополнительных нагрузок на подшипники, как в роторах других конструкций. В роторах должна быть предусмотрена высокая точность регулировки конического зубчатого зацепления. Регулировка колеса выполняется обычно с помощью прокладок, устанавливаемых между корпусом и главной опорой, регулировка шестерни- прокладками, устанавливаемые между корпусом ротора и фланцем стакана, в котором смонтирован на подшипниках быстроходный вал ротора шестерни — прокладками, устанавливаемыми между корпусом ротора и фланцем стакана, в котором смонтирован на подшипниках быстроходный вал ротора. Зазор в подшипниках главной и вспомогательной опор стола ротора регулируется тонкими металлическими прокладками. Зубчатая коническая передача и опоры стола ротора должны быть сконструированы так, чтобы масло, стекающее с зубчатого колеса, прежде чем попасть в опоры, проходило через отстойник. В некоторых конструкциях роторов в нижних частях картера предусматриваются магнитные маслоочистители. Вместимость масляной ванны должна обеспечивать достаточный запас жидкого масла для отвода тепла и охлаждения масла; допускается его нагрев не выше 80 °С.
Рисунок 7. Системы смазки роторов.
1 — стол ротора; 2, 3 —
опоры вспомогательная и
- Расчет главной опоры ротора
Подшипники стола ротора – главные элементы, определяющие долговечность ротора. Габариты и нагрузки ведущего вала ротора позволяют применять в его опорах стандартные подшипники качения, рассчитываемые на значительно больший срок службы, чем опоры стола. Их расчет аналогичен расчету опор валов общего машиностроения. Для определения их долговечности рассчитывают действующие на опоры усилия (рис. 1.). Для этого находят усилия, действующие в зацеплении: окружное усилие Р, радиальное Q и осевое N, затем находят реакции сил, действующих на подшипники. За расчетный момент Мp, действующий на стол ротора, принимается момент сопротивления вращению бурильной колонны наибольшей длины для данного ротора.
Зная расчетную мощность Np, передаваемую столом ротора, определяем крутящий момент на столе ротора:
(1);
Где ω – угловая скорость вращения стола ротора, рад/с;
(2);
Где n – частота вращения стола ротора, об/мин.
рад/с;
Подставляем значение в формулу 1.
кН*м;
Затем находим окружное усилие Р, действующее в зубчатом зацеплении:
(3);
Где d – диаметр конического колеса, м d = 0.975 м.
кН;
После этого определяем составляющие силы от окружного усилия Р: осевое шестерни N1, равное радиальному усилию на колесе Q2:
(4)
И радиальное шестерни Q1, равное осевому усилию на колесе N2:
(5);
Где φ1 – угол начального конуса шестерни, градусы
β – угол наклона зубьев конической пары; β = 10 – 300
α – угол зацепления; α = 200
(6);
Где up – передаточное отношение ротора
Тогда φ = 28.80
Полученные данные подставим в формулы 4,5.
кН;
кН;
Для упорно-радиальных подшипников, применяемых в роторах, расчетная эквивалентная нагрузка:
kтkбkэkк (7);
Где: Fp и Fa – постоянные по величине и направлению радиальная и осевая нагрузки;
x и y – коэффициенты радиальной и осевой динамических нагрузок;
kт –температурный коэффициент, при температуре менее 100 0С kт = 1;
kб – коэффициент безопасности для роторов kб = 1,8 – 2,5;
kэ – коэффициент эквивалентности, kэ = 0,6 – 0,8;
kк – кинематический коэффициент, при вращении внутреннего кольца подшипника принимается kк = 1.
Радиальная нагрузка Fр для расчета долговечности подшипника главной опоры стола ротора принимается равной окружному усилию Р, так как их плоскости действия почти совпадают Fр = Р.
Осевая нагрузка, действующая на опору стола ротора,
Fa = G + Nт + N2 (8);
Где: G – вес стола ротора в сборе, G = 20 кН;
N2 – осевое усилие создаваемое в зубчатом зацеплении;
Nт – осевое усилие от трения ведущей трубы о вкладыши ротора при движении бурильной колонны вниз.
Nт = Мрfс/R (9);
Где: fс – коэффициент трения ведущей трубы о зажимы ротора, fc = 0,2 – 0,3;
R – радиус приложения нагрузки между ведущей трубой и зажимами ротора, R=0.1 м.
Находим осевое усилие от трения ведущей трубы о вкладыши ротора при движении бурильной колонны в низ.
кН;
Находим осевую нагрузку по формуле 8.
Fa = 20 +35,35+42=97,35 кН;
Из отношения Fa/Fp = 97.35/29=3.3 выбираем у = 0,57, х = 0,35;
Находим эквивалентную нагрузку.
Рп = (0,35*29+0,57*97,35)*1*2*0,8*
В роторе Р-560 в главной опоре применена шариковая опора с подшипником №91682/750х со статической грузоподъёмностью Соа = 4,1 МН и динамической грузоподъёмностью Са = 0,444 МН.
Определяем долговечность подшипника главной опоры в часах:
(10);
ч.
По существующим нормам долговечность главной опоры ротора должна быть не менее 3000 ч. Расчетная долговечность удовлетворяет нормам.
- Заключение
Основные направления технического прогресса в области буровой техники основываются на последних достижениях ведущих инженеров и специалистов в области усоверщенствования и создания нового бурового оборудования. В нефтяной и газовой промышленности особенно широкое применение должно получить бурение скважин уменьшенных и малых диаметров с облегченными конструкциями буровых установок, применение электробуров и малогабаритных турбобуров; первоочередным делом должно быть осуществление комплексной механизации спуско-подъемных операций в бурении, вышечно-монтажных работ, процессов приготовления и очистки промывочных растворов».
Одна из характерных черт развития буровой техники — увеличение мощности буровых установок. Мощность установок для глубокого бурения доходит до 5000 кВт более.
В ближайшие годы начнется бурение скважин значительно большей глубины чем существующие. В настоящее время ведутся подготовительные работы по созданию оборудования для выполнения этой сложной задачи.
В результате расчетов оказалось что, подшипник стола ротора имеет достаточную долговечность, быстроходный вал имеет достаточный коэффициент запаса прочности, зубья быстроходного вала тоже имеют достаточный коэффициент запаса прочности учитывая различные нагрузки. Точность произведя необходимые расчёты мы выяснили что коэффициенты запаса прочности деталей ротора удовлетворяют необходимым требованиям и соответствуют безопасной его эксплуатации.
Список литературы
1. Алексеевский Г. В. Буроэые установки Уралмашзавода. М., Недра.
2. Анурьев В. И. Справочник конструктора-машиностроителя. М., Машиностроение, 1982
3. Буровые установки
4. Ильский А. Л. Оборудование для бурения нефтяных скважин. М., Машиностроение, 1980
5. Лесецкий В. А., Ильский А, Л. Буровые машины и механизмы. М., Недра, 1980.
